双向作用式弹簧平衡器的研发

苏跃飞， 韩凤岐（长春汽车工业高等专科学校，长春130013）

1 工业机器人上的平衡装置

很多机器人在结构上具有开环特型，使得平衡系统在这些机器人的设计和使用过程中具有特殊重要的地位。例如我们自主开发的一款五自由度关节型工业机器人采用了多种平衡装置（如图1所示），这些平衡装置的设置主要用于平衡机器人各臂杆的自重及载荷所引起的绕各关节轴线的重力矩，以减少驱动功率的幅值及波动，进而改善机器人传动系统的受力状态。在该机器人的腕转关节和腕摆关节采用电机平衡，小臂采用配重平衡，大臂则采用了弹簧平衡器。

图1 五自由度关节型机器人的平衡系统

2 双向作用式弹簧平衡器的结构与原理

该机器人的大臂平衡采用弹簧平衡系统具有结构简单可靠、制造维修容易、成本低廉等优点。主要缺点是∶对于普通弹簧来说，不管是拉簧还是压簧都只能单方向承载。若需要两个方向平衡（承载）时，势必双向布置两根弹簧，这样就会产生系统不够紧凑、需要空间较大等问题。为此我们专门开发了一款双向作用式弹簧平衡器，只用一根弹簧就有效地解决了这个问题。

双作用式弹簧平衡器结构由内本体、外本体、支座、套、销轴、弹簧、拉杆、滑块、过渡盘、托盘、缓冲垫、过渡套、法兰盘组成如图2所示。

各零部件关系是：销轴3安装在机器人外本体的腰坐上，支座1与法兰盘12连接；套2压在内本体与外本体之间的平衡弹簧4上；法兰盘12下连接有拉杆5、滑块6，在内本体中的拉杆5外设有过渡套10，过渡套10下设有缓冲垫9、并与滑块6接触；内本体底部外设有托盘8，托盘8上设有过渡盘7，压缩平衡弹簧4设在内本体和外本体之间与过渡盘7和套2相互作用。

其工作原理是：针对上述大臂平衡的需要，平衡器的一个支点通过销轴3安装在腰坐上，另一个支点通过支座1安装在大臂上，当大臂绕肩关节逆时针转动时如图1所示，支座1就开始带动法兰盘12向下运动，并通过套2压缩平衡弹簧4，从而起到一个方向的平衡作用。当大臂绕肩关节顺时针转动时，支座1通过法兰盘12、拉杆5带动滑块6向上运动，再通过缓冲垫9、过渡套10、缓冲垫11、内本体及托盘8、过渡盘7向上压缩平衡弹簧4，这样就实现了另一个方向的平衡功能。

图2 双作用式弹簧平衡器的结构图

3 结语

本双向作用式弹簧平衡器，在各种需要平衡的机械上具有普遍适用性，克服了用普通弹簧进行平衡所带来的结构臃肿的弊病，且有造型美观、制造维修容易、全封闭结构使弹簧寿命长等优点；其弹簧刚度可在机器其他零部件全都装配调试后通过试验确定；弹簧的种类也不限于螺旋弹簧，亦可采用刚度更大的蝶（盘）形弹簧。